Девять цветов радуги

Итак, из нашего опыта мы видим, что волны могут взаимодействовать друг с другом.

Это фотография взаимодействия волн от двух источников колебаний.

Следовательно, если исходить из волновой теории света, можно легко объяснить явление, впервые отмеченное Гримальди; этим же можно объяснить и появление знаменитых колец Ньютона.

Такое взаимодействие волн на языке физиков носит специальное название: «интерференция». Слово это латинского происхождения и состоит из двух корней: inter — между и ferens (ferentis) — несущий. Оно лишний раз говорит о том, насколько далеко от нового физического понятия содержание исходных слов, выбранных учеными для обозначения этого понятия.

Тень и свет

И все же явление интерференции не оказалось единственным доказательством, с помощью которого удалось установить истинность волновой теории света.

Решающим доводом явилось открытое тем же Гримальди явление дифракции, то есть явление непрямолинейного распространения света возле препятствий, явление «захода» света в область тени.

Но и на этот факт, упомянутый в книге Гримальди, не обратили внимания или не знали о нем ни Ньютон, ни Гюйгенс. После смерти Ньютона и Гюйгенса спор о природе света прекратился как бы сам собой. В течение многих лет (до начала XIX века) в науке господствовала корпускулярная теория, хотя где-то на полках библиотек академий и университетов пылился и истлевал забытый всеми трактат Гримальди. Авторитет величайшего физика, вполне заслуженный Ньютоном, стал тем решающим доводом, который использовали его не столь выдающиеся, как он, последователи для доказательства справедливости корпускулярной теории.

Но не только случайность привела к тому, что факты, подтверждающие волновую природу света, были забыты. Действительно, они были установлены Гримальди, но только очень приближенно, в самой общей и не очень определенной форме, еще до того, как были проведены исследования Ньютона и Гюйгенса.

Не менее важно и то, что при проведении опытов по исследованию интерференции и дифракции света физику-экспериментатору приходится иметь дело с чрезвычайно точными измерениями расстояний и размеров. Измерения в некоторых случаях должны проводиться с точностью до длины или даже доли длины волны света. А эта величина необычайно мала.

Во времена Ньютона и Гюйгенса техника точных измерений была очень несовершенной, точная механика только-только зарождалась. Но дело было не только в этом. Ученые тех времен не знали и вряд ли предполагали, что длина световых волн крайне мала. Тем более, что им уже было известно, с какой огромной скоростью распространяется свет. А длина волны тем больше, чем выше скорость распространения. Возможно, что благодаря этому факту они могли предполагать, что световые волны, если они существуют, очень длинные.

Впоследствии, когда ученым удалось осуществить измерения, результаты оказались необыкновенными. Выяснилось, что самые короткие волны, еще воспринимаемые глазом человека (волны фиолетового света), имеют длину, равную 0,00038 миллиметра, или 380 миллимикронов, а самые длинные (волны красного света)—0,00078 миллиметра, или 780 миллимикронов.

Воспользовавшись формулой, связывающей длину волны с частотой колебаний и скоростью распространения, получим цифры, которые, возможно, могли бы устрашить ранних сторонников Гюйгенса. Частота фиолетового света равна примерно 800·10¹² колебаний в одну секунду, а красного — 387·10¹² колебаний в одну секунду!

Своим вторым рождением волновая теория обязана многим физикам, но в первую очередь французскому ученому Огюстену Жаку Френелю (1788–1827) и английскому ученому Томасу Юнгу (1773–1829), которые провели важнейшие исследования явлений интерференции и дифракции света и дали их объяснение. Именно их труды превратили еще не проверенную опытом смелую научную догадку — гипотезу Гюйгенса — в строгую, обоснованную точными фактами теорию. А она, в свою очередь, позволила открыть и объяснить многие новые научные факты.

В чем же заключается явление дифракции? Как оно проявляется?

Мы можем очень примитивно, чисто качественно, воспроизвести явление дифракции света. В этом мы будем очень близки к Гримальди, но не к Френелю и Юнгу; ведь так же, как и он, мы не располагаем никакими точными научными приборами. Да они и не потребуются для наших целей. Все оказывается крайне просто.

Вечером, когда стемнеет и на улице включат освещение, выберем один из дальних, но достаточно ярких фонарей. Он кажется нам яркой золотистой точкой. Посмотрим на него сквозь неплотно сжатые пальцы или, что лучше, сквозь тонкую прорезь в листе плотной бумаги, сделанную лезвием безопасной бритвы.

Глядя через узкую щель на тот же фонарь, мы не увидим яркой точки, а обнаружим светлую полосу с темными поперечными линиями, причем эта полоса будет направлена перпендикулярно прорези [4].

Объяснить этот факт можно, лишь согласившись с тем, что, встречаясь с небольшим препятствием (края щели), свет огибает его и распространяется в ту область, где, по утверждениям последователей Ньютона, должна быть сплошная тень. Иными словами, следует признать, что при встрече с малыми (величина которых сравнима с длиной воли света) препятствиями свет перестает распространяться прямолинейно и может огибать такие препятствия.

Кстати, волны на поверхности воды тоже не всегда огибают препятствия. Если их длина значительно меньше размеров препятствия, можно наблюдать волновую тень за этим препятствием. В этом смысле разница между световыми волнами и волнами на воде заключается лишь в длине волны, а следовательно, и в размерах препятствия.

Дифракция света приводит и к другим интересным и неожиданным на первый взгляд явлениям. Если на пути света поместить шарик, то тень, падающая от него на достаточно удаленный экран, не будет выглядеть однородным темным кружочком. Она будет представлять собой ряд концентрических чередующихся темных и светлых колец. Подобная картина получится, если на пути света окажется не шарик, а диск или круглое небольшое отверстие в непрозрачном экране.

На двух верхних снимках показана интерференция света. На двух нижних — дифракция света на прямоугольном и круглом отверстиях.

Волновая теория завоевала признание не без борьбы.

Интересен один из ее эпизодов. На заседании Парижской академии наук физик Френель зачитал перед учеными свой «мемуар», в котором описывал опыты и исследования, подтверждавшие правильность волновой теории света. В числе тех, кто не был согласен с Френелем, оказался знаменитый математик Пуассон. Он очень хорошо изучил работы Френеля и хотел поразить своего противника его же оружием.

Пользуясь методом Френеля, он провел вычисления, из которых следовало, что в центре тени от шарика должно оказаться светлое пятнышко. К тому времени, когда были проделаны эти вычисления, подобный факт еще не был известен. И это, по мнению математика, давало ему право считать волновую теорию неверной.

Но ему не пришлось долго торжествовать. Один из сторонников волновой теории, физик Араго, поставил специальный опыт и воспроизвел то, что предсказывали теория и расчеты. И правота Пуассона была полностью доказана… но именно в том, что в центре тени от шарика действительно имеется светлое пятно.

Недаром, видно, некоторые математики любят в шутку повторять, что «формулы умнее нас».

Явления интерференции и дифракции, чрезвычайно важные с теоретической точки зрения, уже давно приносят и практическую пользу. На основе этих явлений созданы многие важные приборы, позволяющие производить необыкновенно точные измерения и исследования.